Проект композиционного материала для изготовления труб, работающих под нагрузкой

Разработка композиционного материала для изготовления труб с матрицей из фторопласта и хаотично ориентированными керамическими волокнами. Выбор метода формообразования и тепловой обработки изделия. Расчет параметры технологического процесса оснастки.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 01.05.2015
Размер файла 954,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородский государственный технический университет

Кафедра "Материаловедение и порошковая металлургия"

Техническое задание курсового проекта

Проект композиционного материала для изготовления труб, работающих под нагрузкой

Нижний Новгород

Содержание

Введение

Исходные данные

1. Эскиз проектируемого изделия

2. Обзор технической литературы

3. Конструкционная часть

3.1 Теория проектирования композитов

3.2 Выполнение правил комбинирования

3.3 Стадии проектирования композита

3.3.1 Выбор, разработка структуры и рецептуры материала

3.3.2 Уточнение стадий проектирования КМ

4. Специальная часть

5. Технологическая часть

5.1 Обоснование выбора метода формообразования

5.2 Обоснование выбора метода тепловой обработки

5.3 Расчет технологических параметров процесса формообразования

5.3.1 Температура горячего экструдирования

5.3.2 Температура спекания

5.3.3 Расчет геометрических и силовых параметров процесса формообразования

5.4 Схема технологического процесса изготовления КМ

5.5 Проектирование и конструирования технологической оснастки

5.5.1 Выбор конструкции формующей оснастки

5.5.2 Расчет геометрии и прочности элементов формообразующей ТОС

6. Практическая часть

7. Новое техническое решение

Заключение

Список используемой литературы

Приложения

Введение

Изготовление общемашиностроительных деталей в порошковой металлургии занимает основное место. По оценкам, спрос на конструкционные детали, изготовленные из порошковых материалов, превышает 60% всей потребности в порошковых материалах. Наиболее характерные машиностроительные детали - шестерни, кулачки, втулки, храповики, фланцы. Сокращение расхода материала, снижение трудозатрат и энергопотребления - таковы основные преимущества изготовления конструкционных деталей методами порошковой металлургии.

В настоящей работе разрабатывается проект композиционного материала для изготовления труб, работающих в нагруженном состоянии. Для изготовления труб применяют различные пористые материалы, но для того, чтобы пористый материал удовлетворял эксплуатационным свойствам, его необходимо армировать.

Исходные данные

Диаметр наружный: D1 = 50 мм; Диаметр внутренний D2 = 30 мм;

Длина трубы: L = 1000 мм; Пористость: Р = 7%;

Крутящий момент, приложенный к обеим частям трубы: М = 0,4 КН*м;

Напряжение внутреннего давления в трубе: F = 400 Мпа;

Масса трубы: m = 4,34 кг; Рабочая температура: Т = +20…+300 оС

Неуказанные предельные отклонения по IT 14/2

Отклонение плотности спроектированного КМ = 7% по массе

1. Эскиз проектируемого композиционного изделия

2. Обзор технической литературы

Структура, свойства, применение и получение трубного сортамента композиционным методом и порошковой металлургией.

Из данных ТЗ и предварительных расчетов известно, что для изготовления труб требуется разработать легкий композиционный материал (плотность материала трубы 3,45 г/см3). Анализ справочных данных [1, стр. 9-12] показывает, что по удельной прочности при учете пористости грубы, фторопласт не удовлетворяют требованиям ТЗ. Таким образом, возникает необходимость армировать порошковое изделие. Физико-механические характеристики коррозионно-стойких промышленных материалов приведены в [1]. Для армирования фторопластовых матриц широко применяют керамические волокна. Стоимость их в настоящее время невысока в сравнении с металлическими. Поэтому в качестве базового варианта проекта КМ выбирается композит с матрицей на основе фторопласта, армированный волокнами из керамики.

Согласно монографии Белова [4, стр. 3, 150-152], проницаемые пористые материалы широко применяются в машиностроении, авиационной, нефтяной, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Они используются как фильтрующие элементы в фильтрах тонкой очистки жидкостей и газов от примесей и как конструкционные материалы.

Фильтрующие металлические материалы обладают высокой коррозионной стойкостью, удовлетворительными прочностными характеристиками, способностью к регенерации.

Эти свойства позволяют использовать пористые материалы для работы с агрессивными средами, применять пористые материалы в системах с высокими тепловыми и механическими нагрузками, в том числе и динамического характера. Таким образом, пористые фильтрующие элементы, в частности трубы, можно получить различными методами, некоторые из которых представлены в [4, стр. 97]. В табл.1 и табл. 2 представлены физико-механические свойства фторопласта и некоторых видов керамических волокон.

Таблица 1

Материал

Свойства матричного материала

Плотность г, кг/см3

Прочность у, МПа

Рабочая температура Т, °С

фторопласт

2,15

35

560

Таблица 2

Материал

Свойства армирующего компонента

Диаметр волокна df, мкм

Плотность г, кг/см3

Прочность у, МПа

Рабочая температура Т, °С

Керамические волокна

280

4,91

1540

1600

3. Конструкционная часть

3.1 Теория проектирования композитов

Композиционными материалами являются искусственно созданные человеком матричные материалы, содержащие два и более компонента, гетерофазные по строению, однородные в макро- и неоднородные в микро масштабе, обладающие аддитивным комплексом физико-механических свойств, обусловленных сохранением индивидуальности каждого образующего композит компонента.

Необходимость к тенденции развития КМ определяется требованиями, предъявляемыми к современным материалам:

*высокая конструкционная и технологическая способность;

*способность к утилизации и экологичность;

*способность получения материала с низкими затратами;

*низкий удельный вес и высокие физико-механические свойства;

*способность получения материала с уникальным сочетанием физико-механических свойств.

Проектирование КМ основано на принципе комбинирования, который в свою очередь подразделяется на два принципа:

1.Сочетания, подразумевающие сложение физических и механических свойств отдельных компонентов аддитивным способом;

2.Совместимости, который дает границы физического и механического сочетания и подразумевает сохранение гетерофазности при получении и эксплуатации КМ, совместимость упругих, прочностных и структурных свойств и химическую совместимость. Основными математическими выражениями принципа комбинирования компонентов и КМ являются:

*Зависимости структурных соотношений компонентов. Например, аналитические выражения для КМ, имеющих поры, отражающие связь между кажущимися и истинными долями волокон и матрицы, а также выражения, интерпретирующие диаграммы состояния компонентов и законы диффузии;

*Зависимости концентрационных соотношений компонентов. Например, выражение, устанавливающее связь между прочностными и упругим характеристиками однонаправленного КМ через долю волокна в случае поперечного растяжения материала;

*Зависимости физико-механических соотношений материалов компонентов. Например, правило подбора материала волокна к известному материалу матрицы:

ууд.матр < ууд.вол -удельная прочность матрицы и волокна соответственно;

*Зависимости, отражающие технологические процессы создания композитов и оказывающие влияние на их проектирование.

3.2 Выполнение правил комбинирования

Исходя из данных ТЗ, объект проектирования представляет собой деталь типа "оболочка" - цилиндр. Согласно [5, стр. 471-478], цилиндр следует считать толстостенным, если толщина его стенки больше 0,1 среднего радиуса цилиндра. Из данных ТЗ следует, что труба является толстостенным цилиндром. Труба нагружена только внутренним давлением, а наружное давление (атмосферное) мало и им можно пренебречь.

Из всех нагрузок находят сложное напряженное состояние по формуле:

(1)

где Тмах - напряжение крутящего момента в трубе;

уф - растягивающие напряжения;

у - сжимающие напряжения;

уф = -F = -400 MПa

у = (l+K2/1-K2)·F (2)

где К = rl/r2, rl и r2 - радиусы трубы (3)

К = 25/15 = 1,67

у = 847,2 МПа

Напряжение меняется по гиперболическому закону. Наиболее опасной точкой с точки зрения прочности является точка, лежащая у внутренней поверхности трубы. Напряжение сжатия трубы от сжимающей силы Р:

BP = (P/S)/100 = (100000/12,56)/100 = 79,62 МПа

Напряжение крутящего момента в трубе:

Тmax = 16·Мкр/рd3·(1-б4),

где б - коэффициент для полого стержня:

б = [1-(D2/D1)3]0,25 = [1-(30/50)3]0,25 = 0,94

Внутренний диаметр

d= б·D1/1000=0,94·50/1000=0,047 см.

Тогда напряжение крутящего момента

Тmax = (16·0,4·10-3)/(3,14·0,0473·(1-0,944)) = 90,43 МПа

Напряжение растяжения из-за внутреннего давления Р:

Nвн = 2·F = 400·2 = 800 МПа

Находим допускаемое напряжение:

Результирующее напряжение:

Nкм = уэкв/cos45 = 1097,49 МПа

3.3 Стадии проектирования композита

Под давлением технико-экономических причин, главная из которых - расширение сырьевой базы машиностроения, осуществляют постоянное проектирование новых материалов, большей частью КМ. Проектирование КМ проводят последовательным выполнением следующих стадий:

3.3.1 Выбор, разработка структуры и рецептуры материала

На основании данных ТЗ, обзора технической литературы, анализа справочных данных и предварительных расчетов для создания КМ трубы выбрана матрица из фторопласта. Его свойства удовлетворяют требованиям по плотности, прочности и другим характеристикам, а также ограничениям по рабочей температуре и экономическим показателям. Но без армирования материал матрицы не отвечает конструкционным критериям. Необходимо выбрать материал армирующего элемента. Чтобы подобрать подходящий материал арматуры необходимо рассмотреть возможные материалы и методы формообразования композита.

Наиболее целесообразным методом получения труб является экструдирование. При получении КМ этим способом единственным вариантом строения армирующего элемента является дискретные хаотично расположенные волокна. По данным ТЗ наиболее подходящими для армирования будут керамические волокна с прочностью при растяжении уbf =1540 МПа.

Ограничивающим условием размера отдельной частицы или дискретного волокна является соотношение: число частиц (волокно в поперечном направлении) должно быть кратно 100 при делении на минимальный размер формуемого отверстия. Из этого условия определяем диаметр волокна:

(5)

Df = [(0,05-0,03)/2]/l00 = 0,0001 м = 100 мкм

Назначаем наибольший диаметр волокна равным 20 мкм.

Определяем критическую длину волокон. Это такая длина, при которой начинается упрочнение при введении волокон в матрицу. В то же время это минимальная длина волокна, в которую допускается переработка проволоки. Она рассчитывается [3, стр. 67] по формуле:

(6)

где Lкр - критическая длина хаотично дискретного волокна; Df - диаметр волокна; уbf - прочность при растяжении волокна; Тгр - прочность границы "волокно-матрица".

Прочность границы в КМ можно определить по зависимости, полученной из уравнения Юнга [3, стр. 122], определяющего работу адгезии (работу образования единицы площади поверхности):

(7)

(8)

(9)

где уж - коэффициент поверхностного натяжения (Н/м); Qs - краевой угол смачивания; Lконт - длина контура, ограничивающего действие сил адгезии, сопротивляющихся разрушению границ.

Поскольку волокна хаотичны, Lконт вычисление, как некоторой статической величины, при бесконечном числе вариантов ориентации волокон становится весьма проблематичной задачей. Поэтому рассматриваем самый неблагоприятный случай, когда нагрузка направлена перпендикулярно оси симметрии волокна:

(10)

Подставляем полученную формулу в зависимость для расчета прочности границ, а ее в формулу для определения критической длины волокна:

(11)

(12)

Для жидкостей удельная поверхностная энергия и коэффициент поверхностного натяжения совпадают как по размерности, так и по численному значению. Для твердых тел их значения могут существенно отличаться, что связано с дефектностью кристаллического строения и анизотропией кристаллов. Известно, что с повышением температуры коэффициент поверхностного натяжения линейно убывает с температурой [12, стр.147] и определяется по формуле:

(13)

где V = 1200000 - мольный объем; К = 2,1 - коэффициент для недиссоциированных жидкостей; Ткр - температура равновесия жидкость-пар; Т - текущее значение температуры (температура тепловой обработки):

В твердой фазе в металлических сплавах угол Qs = 0 градусов, это следует из определения работы когезии. Для учета кристаллической дефектности границ можно положить Qs = 45°. Длина волокна как половина толщины стенки:

Lкр = 0,005 м

Рекомендуемая длина волокна по плотности:

(14)

Известно, что при длине дискретных волокон, равной Lкр, разрушение композита происходит вытягиванием арматуры из матрицы. Кроме того, для волокон, у которых длина равна их диаметру, разрушение КМ происходит по механизму разрушения единичной матрицы. Для ужесточения расчета Lкp предполагаем, что разрушение матрицы происходит от сдвиговых напряжений и что они определяют в данном случае прочность границы:

Тгр = 35 · cos45°= 24,85 МПа

Находим расчетную долю волокон:

Определяем реальную концентрацию волокон в КМ по формуле:

Тогда:

Длина контура волокна:

Прочность границ через коэффициент Рм = 0,16 Н/м

Прочность границ через половину толщины стенки:

Необходимая среда и температура тепловой обработки, обеспечивающие краевой угол смачивания:

3.3.2 Уточнение стадий проектирования KM

По данным ТЗ масса трубы не должна превышать 4,34 кг, объем трубы равен 1256 см3, плотность изделия 3,45 г/см3.

Определим плотность разработанного композита:

(15)

Плотность спроектированного КМ не превышает допускаемое значение ТЗ. Следовательно, в данном курсовом проекте в качестве КМ принимаем композит фторопласт - керамические волокна.

4. Специальная часть

При проектировании КМ и расчете параметров технологического процесса необходимо решать задачи нахождения оптимального значения факторов, влияющих на свойства КМ. К ним принадлежат различные методы расчетов коэффициентов полиномов, полученных при решении систем уравнений, отражающих протекание технологических процессов, например экструдирования. В проекте "КМ" с помощью ПЭВМ решалась задача по нахождению оптимального угла конуса матрицы экструдера через нахождение корней полинома 4 степени, полученного при решении системы уравнений, приведенной в разделе 6 проекта. Вычислительные работы проведены на ПЭВМ. Кроме того, решалась задача по нахождению сложного напряженного состояния в трубе. Определены: диаметр, доли, длина волокон арматуры композита. Определен оптимальный угол конуса матрицы экструдера через нахождение корней полинома [14,стр.94]. Определены геометрические размеры, подобраны марки стали цилиндра, стержня экструдера и матрицы.

Вычислительные работы проведены на алгоритмическом языке ОВазю. Результаты вычислений угла конуса матрицы экструдера перенесены в шестой раздел курсового проекта. При решении погрешность принималась равной 0,001.

5. Технологическая часть

5.1 Обоснование выбора метода формообразования

На основании данных ТЗ, проведенного обзора технической литературы и расчетов конструкторской части было предварительно выбрано для формообразования изделия горячее экструдирование. Процесс экструдирования трубы представляет собой объемное сжатие и выдавливание через матрицу - мундштук 2 порошка 5, находящегося в объеме, ограниченном цилиндром 1, рабочим плунжером 3, выходным отверстием 4 и стенками стержня 6. В качестве исходного порошкового материала матрицы КМ выбран порошок фторопласт, обеспечивающий временное сопротивление 35 МПа. Составляем таблицу, используя справочные данные [15,стр.39]. Кинематическая схема экструдирования назначается горизонтальной, т.к. по ТЗ длина трубы составляет 1 м, а вертикальный способ увеличивает высоту производственного здания. Применение горячего экструдирования основывается на следующем:

· снижается удельное давление формообразования;

· не требуется введения пластификаторов;

· разрушаются окисные и образуются прочные межчастичные контакты. В качестве источника нагрева порошковой смеси выбирается косвенный нагрев, т.к. при прямом пропускании электрического тока требуется высокое напряжение. Согласно [15] оно должно быть 6000 В, что неприемлемо по технике безопасности. Для индукционного нагрева характерна неоднородность нагрева сыпучего тела. При индукционном нагреве появляется ряд явлений: поверхностный эффект, эффект близости, кольцевой эффект и др.

5.2 Обоснование выбора метода тепловой обработки композиционного материала

Для создания требуемых физико-механических свойств в формованных металлических композиционных полуфабрикатах применяют спекание. При спекании заготовки трубы выполняется дополнительная функция - происходит не только консолидация межчастичных контактов, но и снимаются внутренние напряжения, накопленные волокнами при деформационных процессах горячего экструдирования.

5.3 Расчет технологических параметров процесса формообразования

5.3.1 Температура горячего экструдирования

Процесс формования является горячим, если он протекает при температуре рекристаллизации основного компонента. Температура горячего экструдирования рассчитывается по формуле:

Тформ = (0,8 - 0,9) · Тпл,(16)

где Тпл - температура плавления основного компонента.

Тформ = 0,825 · 560 = 462°С

5.3.2 Температура спекания

По аналогии с горячим формованием выбираем температуру спекания 462°С.

5.3.3 Расчет геометрических и силовых параметров процесса формообразования

К геометрическим параметрам формообразования принадлежат размеры оснастки - валков, пресс-форм, матриц и камер экструдера. Одной из задач проектирования технологии КМ является поиск решения, отвечающего минимальным энергетическим потерям, например, на трение. Давление мундштучного формования при постоянной степени обжатия минимально при выдавливании материала через мундштук с учетом конуса 90°. При таком угле, давление экструдирования определяется противодействием сил трения. Высота мундштука при прессовании труб и стержней небольшого диаметра и сечения должна быть в 2,5-4 раза больше диаметра его выходного отверстия.

Рассчитываем высоту матрицы экструдера:

Для определения конусности мундштучного отверстия (угол б на рис.4) рассчитываем площадь формования S. Очевидно, что площадь экструдирования в своей наименьшей величине ограничена диаметром D1, а в максимальном - мощностью гидравлического агрегата и длиной камеры экструзии. Увеличение 3 сопровождается уменьшением хода толкателя и уменьшением мощности нагнетающего насоса. В то же время увеличение 8 сопровождается изменением угла наклона б и потерь на трение. Для поиска оптимальной конусности составим систему уравнений:

· уравнение расчета геометрии конуса

· уравнение сил трения в матрице.

Очевидно, что чем больше сила реакции опоры, тем больше сила трения порошка о матрицу. Для ужесточения расчета давления формования предположим, что материал изотропный и беспористый.

Сила экструдирования вызывает давление

PP = Pэкстр/S.

Площадь экструдирования

S = р · /4.

Сила трения

PТР, PP · sinб ·f,

где f - коэффициент трения.

В механической смеси присутствует фторопласт и керамика, коэффициент трения будет аддитивной величиной. При температуре 462°С коэффициент трения смеси по стали равен 0,06. Коэффициент трения f можно легко отрегулировать применением поверхностной обработки матрицы экструдера. Кроме того, принимая значение f максимально возможным, создаем запас по потерям па трение и на изменение состава КМ при уточнении и экспериментальной апробации материала. Коэффициент полезного действия экструзии, выраженный через потери на трение имеет вид:

,(17)

Обычно КПД формования составляет 75%. Используя его значение, определим РТР как 0,25РР, откуда получаем:

,(18)

или ,(19)

Получаем систему уравнений:

,(20)

и ,(21)

Заменим sinб на tgб/[1-tgб]0,5 в уравнении (20) и подставим в него уравнение (21). Подставляя численные значения, получим:

,(22)

Уравнение решается на ПЭВМ, заменив tgб на В и приведя полученное выражение к полиному в канонической форме четвертой степени:

В1 = -0,5253

В2 = -0,5253

В3 = 1,9030

В4 = 4,0257·102

Значение В1 и В2 неприемлемы из-за своей отрицательной величины. Вычисляем arctgб для корня ВЗ и В4.

Получаем угол мундштука 69° и 2,56° соответственно.

Рассчитываем значение внутреннего диаметра экструдера:

По результатам вычислений подходят оба значения, но с технической стороны выбираем DВН = 1094 мм.

Используя полученные значения DВН и tgб получим f = 0,17. Рассчитываем площадь поперечного сечения в зоне вдавливания:

Рассчитываем площадь проекции приложения давления:

Рассчитываем объем конусной части:

Рассчитываем давление экструдирования. Для выдавливания пористых заготовок давление экструзии можно оценивать, используя континуальные представления и условия пластичности. Так, приближенное значение давления экструзии можно представить выражением:

где Q = 7% - пористость; dl и DВН - диаметры выдавливаемого отверстия и экструзионной камеры.

d = (dl + d2)/2;

ут - предел текучести экструдируемой смеси;

ут = ут · (фторопласт) · (1 - Vfpeaл) + ут (кв) · Vfpeaл

ут = 28·(1 - 0,4371) + 1232·0,4371 = 2460 МПа

Рассчитываем давление Р, прикладываемое к штоку экструдера:

Кроме давления и температуры, важным параметром экструзии является скорость выдавливания. Скорость выдавливания материала через мундштук не должна превышать 5-10 м/с. Применение более высоких скоростей приводит к появлению неравномерной пористости изделия, неравномерной усадке и короблению изделий при последующем спекании.

5.4 Схема технологического процесса изготовления КМ

Схема технологического процесса изготовления труб из композиционного материала показана на рис.6. Схема технологического маршрута представляет собой графическое изображение 14 последовательности операций изготовления КМ от исходных компонентов до готовой продукции. В описании технологического процесса дается подробное изложение правил, требований к каждой стадии, этапу и операции получения КМ. Исходным материалом получения волокон КМ являются керамические волокна. Для матрицы используется порошок фторопласт. После поставки материалов используется заводской входной контроль.

Для волокна проверяются:

· химический состав спектральным анализом;

· механические характеристики.

Для порошка проверяются:

· химический состав (аналитическим методом и спектральным анализом). Потерю массы при прокаливании в водороде определяют по ГОСТ 18897-73, содержание воды по ГОСТ 18317;

· гранулометрический состав по ГОСТ 18318-73,

· прессуемость по ГОСТ 25280-82.

После входного контроля проволоку режут на короткие волокна. Используют станок К1 А62 и цеховое приспособление ДЛЛ.ООО.946.00.0г. У готовых волокон контролируется длина 40 - 3202 мкм. наличие трещин и искривления, качество среза. Углы искривлений не должны превышать 30°. Трещины на поверхности и смятие торцов (последние не больше, чем 1,5 диаметра волокна) не допускаются. После проведения контрольных операций осуществляют смешивание компонентов. Используется V-образный смеситель. Взвешивание компонентов проводят на весах ГОСТ 2371-79. Колебание состава допускается не более 1 г на 1 кг шихты или компонента. Время смешивания составляет 4 ± 0,01 часа.

Горячая экструзия проводится на установке формования ГОСТ 7029-89. Температура процесса 462°С. Контроль температуры осуществляется термоэлектропреобразователем ГОСТ 3044-77 с помощью прибора КСП-3. Давление 4-105 МПа контролируется по приборам установки экструзии. Скорость выдавливания составляет 6 м/с. Резка горячего полуфабриката производится на рычажных ножницах цехового изготовления. Из пресса заготовка передается на рольганг захватом вручную.

Выборочный контроль горячесформованных изделий. Проверяется плотность, пористость. Твердость по ГОСТ 9012-50. Визуально контролируется отсутствие макродефектов проплавления, трещины, раковины и сколы не допускаются. Объем контрольных работ составляет 0,01% от объема готовой продукции.

Схема технологического процесса изготовления пористых труб из композиционного материала: матрица фторопласт - волокна керамические.

5.5.Проектирование и конструирование технологической оснастки

Существует широкий спектр формообразующих машин (пресса, прокатные станы, установки интрузии, экструзии и вакуумирования и т.д.). В производственных условиях для реализации технологического процесса необходимо дополнение их оснасткой, как правило, индивидуальной для каждой детали. Задачей инженера, занимающегося технологией КМ, является разработка технологической оснастки (ТОС). Разработка ТОС регламентирована и опирается на ЕСК(Т)Д РФ.

5.5.1 Выбор конструкции формующей оснастки

Ориентировочный выбор конструкции оснастки осуществляется на этапе выбора метода формования. При проектировании ТОС для КМ и порошковых материалов учитывают программу выпуска изделий, степень сложности изделия, допуска и физический механизм уплотнения. Зная геометрические и силовые параметры процесса и учитывая необходимость получения заданных свойств КМ, проводят выбор рациональной конструкции ТОС. При этом руководствуются правилом: формование КМ должно проводится в конструкции ТОС максимально уменьшающей число и трудоемкость последующих операций, связанных с получением формы и размеров детали.

Для экструзии композиционных смесей, исходя из профиля изделия, проектируют геометрию отверстия матрицы.

5.5.2 Расчет геометрии и прочности элементов формообразующей ТОС

Расчет геометрических размеров оснастки для горячей экструзии композиционной смеси: порошок фторопласта - дискретные волокна из керамики.

В расчете геометрических параметров ТОС сначала необходимо определить усадку полуфабриката при спекании. Композиционная смесь при спекании создает гетерофазную структуру. Используя концентрационные соотношения матрицы и арматуры, определим тип структуры КМ армированного хаотично-ориентированными волокнами. Данные для расчета являются: весовая доля волокон (0,06); весовая доля матрицы, пористость, диаметр и длина волокна. Данные показывают, что волокна не оказывают влияния на кинетику спекания, т.к. их размер незначительный. Матрица представляет собой однокомпонентную систему, следовательно, при спекании будет происходить усадка.

На величину усадки оказывает влияние способ нагрева. Предполагаем, что размеры после выбранной тепловой операции не будут отличаться существенно от размеров полуфабриката после экструзии.

Для расчетов геометрических размеров цилиндра исходными являются: внутренний диаметр DВН = 1094 мм, температура процесса Т = 462°С. Определим наружный диаметр цилиндра DНР.

Для случая несоставного цилиндра соотношение наружного и внутреннего диаметров определяется соотношением:

где [а] - временное сопротивление материала матрицы; Рб - боковое давление, которое равно 0,3·Рштока = 330 МПа.

Для поиска необходимой марки стали для изготовления цилиндра экструдера воспользуемся программой ПЭВМ. "СТАЛЬ" [НГТУ].

В результате предварительных вычислений получены данные: необходима марка стали с прочностью [а] = 2706,51 МПа, требуемая толщина стенки экструдера Нст = 82 мм, а наружный диаметр цилиндра равен DНВ = 1259 мм.

Рассчитываем геометрические размеры цилиндра экструдера. Осталась неопределенной величина полной высоты цилиндра (Lп). Она складывается из длины хода толкателя (LТ) и высоты захода плунжера (НД). Последняя, обычно, равна 1/3 высоты матрицы экструдера. Назначаем НД = 66 мм. Полная длина хода толкателя в свою очередь складывается из длины хода толкателя в режиме выдавливания Lв.эк. и длины хода толкателя при уплотнении Lу. Первая рассчитывается по формуле:

Вторая вычисляется исходя из определения объема Vц, занимаемого не сформованным порошком. Этот объем равен произведению коэффициента уплотнения Кz на объем сформованного изделия и вычисляется по формуле:

Длина хода толкателя экструдера при уплотнении смеси рассчитывается по формуле:

Из законов теплопередачи следует, что наиболее эффективным будет тот случай нагрева цилиндра от окружной стенки, когда отношение его диаметра к высоте больше единицы.

Рассчитываем число порций порошка под выдавливание, находящихся в зоне нагрева, по формуле:

Темп толкателя не вычисляем. Проводим вычисления полной длины толкателя. Подставляя численные выражения, получаем:

Рассчитываем геометрические размеры матрицы (мундштука) экструдера. Исходными данными для расчета являются: диаметр выходного отверстия dl = 50 мм; внутренний диаметр цилиндра DВН = 1094 мм; наружный диаметр цилиндра DНР = 1259 мм; угол входной образующей конуса мундштука б = 68°; высота конуса матрицы Нм = 200 мм. Полная высота матрицы складывается из высоты конуса матрицы Нм, удвоенной высоты выходного конуса Нк и величины заходной части НЗ. Последнюю назначают равной величине толщины стенки цилиндра НЕТ, если он не составной, или принимают равной толщине стенки первого внутреннего цилиндра, если спроектирована конструкция с натягом. При горячем формовании величиной упругого последействия можно пренебречь. Таким образом, при Lк > 0 величина Нк назначается равной 2,5 мм. Определяем НП по формуле:

Проводим расчет геометрии стержня.

Рабочая длина стержня складывается из матричной части НП, длины стержня в зоне нагрева Lв.эк., длины стержня в зоне уплотнения порошка Lц.эк., высоты захода плунжера НД. Для получения заготовки трубы диаметр матричной части назначается d2. На длине стержня в зоне уплотнения предусматривается конус длиной

,

заканчивающийся диаметром

.

Рабочий конец стержня изготавливается сферическим, с радиусом К = а2/2. Геометрия опорной части элементов ТОС в проекте не рассчитывается.

Вычисляем рабочую длину стержня по формуле:

При экструзии максимальное давление развивается в зоне выхода выдавливаемого материала, где стержень имеет диаметр d2. Стержень за счет сил трения испытывает растяжение. Для ужесточения расчета следует полагать, что напряжение растяжения равно давлению экструдирования. В соответствии с критерием наибольших линейных деформаций, напряжение в стержне: Для изготовления стержня выбираем сталь ХВСГФ. Проводим проверочный расчет по формуле:

Таким образом, сталь ХВСГФ пригодна для изготовления стержня.

Назначаем покрытия и поверхностную обработку на рабочих элементах экструдера.

На рабочих поверхностях матрицы и стержня назначают покрытие из нитрида титана, т.к. для него коэффициент поверхностного натяжения f составляет 0,003 при этом оно обладает противозадирными свойствами. Назначаем допуска и посадки. Для отверстия матрицы d1 и стержня d2 необходимо предусмотреть износ.

На диаметре d3 стержня и DВН, обеспечивающем свободное скольжение плунжера относительно внутренней стенки цилиндра, необходимо учесть интенсивное изнашивание последних порошком и упругое расширение. Используя [17] назначаем посадки и допуски.

6. Практическая часть

Из расчетов максимальных напряжений (рис. 1) конструкционной части проекта "КМ" следует, что опасными являются напряжения растяжения. Таким образом, для практической проверки проектных решений необходимо изготовить по технологической схеме рис.3 образцы для испытаний порошковых КМ на растяжение по ГОСТ 25601-80.

Контрольные операции по проверке технологических стадий изготовления призматического образца назначается по п.6.4. проекта "КМ". Формование горячим экструдированием заменяем на горячее двустороннее прессование в целях снижения затрат на эксперименты. Для контроля степени разупрочнения арматуры при горячем прессовании проводим изучение ширины дифракционных максимумов отражений, полученных с поверхности металлических волокон стали.

7. Новое техническое решение

С целью увеличения краевого угла смачивания и ряда других свойств была произведена замена материала волокна с Т1С на А1203. Изменившиеся свойства представлены в таблице 3:

Таблица 3. Сравнение свойств полученного КМ в зависимости от типа волокна.

Свойства материала

Т1С

А120,

Удельная прочность материала волокна ууд.г, МПа

313,65

608,59

Реальная доля волокон VFr

0,14

0,22

Рекомендуемая длина волокна LKR.1, мкм

4283,93

2819,09

Длина волокна по прочности LKR.2, мкм

619,71

969,81

Прочность границ через половину толщины стенки TgrP2

2,46

3,85

MTla краевой угол смачивания qs2, рад

0,60

0,74

Удельные энергетические затраты, кДж/кг

1380

950

При изменении марки волокна произошел рост ряда свойств, что привело к улучшению эксплуатационных свойств. Также уменьшилась себестоимость выпускаемой продукции.

Заключение

По данным ТЗ необходимо было разработать КМ для изготовления пористой грубы (П = 7%) с внешним диаметром 50 мм и внутренним диаметром 30 мм, нагруженного внутренним давлением 400 МПа и крутящим моментом 0,4 кН·м.

В результате расчетов был разработан КМ с матрицей из фторопласта и хаотично ориентированными керамическими волокнами. Выбран метод формообразования и тепловой обработки изделия из композита, рассчитаны параметры выбранного технологического процесса формообразующая оснастка.

Расчеты конструкционной и технологической частей, а также выбор марок сталей для ТОС были проведены на ПЭВМ.

Список использованной литературы

1. Материалы в машиностроении. Выбор и применение: Справочник в 5-ти томах. Т. 1. Цветные металлы и сплавы / Колл. Авт. Под ред. Лужникова Л.П., М.: Машиностроение, 1967. - 304 с.

2. Материалы в машиностроении. Выбор и применение: Справочник в 5-ти томах. Т. 2. Специальные стали и сплавы / Колл. Авт. Под ред. Лужникова Л.П., М.: Машиностроение, 1968. - 364 с.

3. Карпинос Д.М. Композиционные материалы: Справочник. Киев: Наукова Думка, 1985. - 587 с.

4. Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. - 2-е изд., перераб. и доп., М.: Машиностроение, 1987. - 247 с.

5. Сопротивление материалов / Под. Ред. Акад. АН УССР Писаренко Г.С. / 5-е изд., перераб. и доп. Киев: Высшая школа. Головное изд-во, 1986. - 775с.

6. Определение работоспособности и технологических параметров композитов с использованием ПЭВМ / НГТУ; Сост.: И.М. Мальцев, В.К. Сорокин, Ю.А. Шоткин., Н.Новгород. 1994. - 16 с.

7. Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

8. Термостойкость спеченных гетерофазных материалов / Чоба А. В., Егоров Ф.Ф., Пасичный В.В. / Порошковая металлургия. 1990. №11.-е. 19.

9. ГОСТ 25601-80.

10. ГОСТ 26698-83.

11. ГОСТ 18898-73.

12. Краткий справочник по физике. Изд. 2-е / Корякин Н.И., Быстрое К.П., Киреев П.С..М.: Высшая школа, 1964. - 574 с.

13. ГОСТ 19427-74. Обработка данных и программирование. Правила выполнения. Схема алгоритмов и программ. М.: Изд. Стандартов.

14. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ПЭВМ. М.: Наука. Главн. ред. физ.-мат. литературы. 1987. - 240 с.

15. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справочник / И.М. Федорченко, И.И. Францевич, И.Д. Радомысельский и др.; Отв. Ред. И.М. Федорченко. Киев: Наукова думка, 1985. - 624 с.

16. Райченко А.И. Основы процесса спекания порошков пропусканием электрического тока. М.: Металлургия, 1987, - 128 с.

17. Радомысельский И.Д. Пресс-формы порошковой металлургии. Расчет и конструирование. Киев: Техника, 1970. - 127 с.

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Расчет конструкционной части курсового проекта KM по заданию -Т

Плотность материала трубы [г/см^3] g= 3.455414

Объем трубы

V=3.14*(((D1/2)^2)-((D2/2)^2))*L [CM^2] V= 1256.000000

Максимальный размер диаметра арматуры

Dmax=(D1-D2)/20[mm] 0.10

Площадь поперечного сечения

S = 3.14 * (D1 ^ 2 - D2 ^ 2) / 4

Площадь поперечного сечения

S [см^2]= 12.5600

Напряжение сжатия трубы BP [МПа]= 79.6178

Крутящий момент приложен к обоим концам трубы

Коэффициент а - для полого стержня a={1-(D2/D1)^3}^0.25

Коэффициент а - для полого стержня a= 0.94

Внутренний диаметр из формулы крутящего момента определяется по

Dвн=a*D1

Внутренний диаметр из формулы крутящего момента Dвн = 0.0470

Напряжения крутящего момента в трубе Tmax рассчитано по формуле:

Tmax=(16*MK)/(3.1459* Dвн^3*(1-а^4))

Напряжения крутящего момента в трубе Tmax [МПа]= 90.4345224115

Напряжения растяжения из-за внутреннего давления

FG=2*F [МПа]= 800.00

Расчет сложного напряженного состояния проводим по формуле:

Результирующее напряжение сдвига в трубе

BNHJ = Мпа 779,2175181355

Напряжение растяжения в трубе, рассчитанное через напряжение сдвига

NKM = Мпа = 1097,4894621626

Определяется по формуле

NKM = BNHJ/cos45о

Программа расчета трубного изделия из композита

Приложение 5

Свойства стали ХВСГФ

уТ = 3100 Мпа

уВ = 3200 Мпа

S = 1%

Ф = 5%

KCU = 20

HB = 627

Dкр1 = 80 мм

Dкр2 = 80 мм

у*(-1) = 0 Мпа

Т1 = 0 Мпа

Е = 0 МПа

у = 0 Мпа

g = 0 кг/м3

Стоимость = 240

Приложение 6

Рисунок 1 - схемы напряжений и эпюры напряжений в трубе

1. цилиндр

2. матрица

3. плунжер

4. выходное отверстие

5. порошок

6. стержень

7. толкатель

Рисунок 2 --схема экструдирования

1. экструдер

2. резаки

3. валки-электроды

4. заготовка

5. ральганг

6. электросиловая установка

7. механический червяк

8. V - образный смеситель

Рисунок 3 - схема оборудования

Рисунок 4 - определение конусности мундштучного отверстия

1. HRC 45…50

2. Материал круг 180 11 ГОСТ 7417-75 ХВСТФ ГОСТ 5950-73

3. Поверхность полировка до зеркальности в направлении прессовки

4. Размагнитить

композиционный материал труба фторопласт

1. Неуказанные предельные отклонения по IT14/2

2. HRC 45…50

3. Поковка из стали ХВСГФ ГОСТ 5950-73

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Технологическая карта изготовления карандашницы. Выбор материала, технологического маршрута обработки деталей по минимуму приведенных затрат, оборудования и технологической оснастки. Технико-экономические обоснование процесса изготовления изделия.

    презентация [124,1 K], добавлен 06.04.2011

  • Оценка технологичности изделия. Обзор методов изготовления деталей. Операции технологического маршрута. Обоснование сортамента заготовки и метода ее изготовления. Расчет режимов резания при токарной обработке. Разработка технологической оснастки.

    курсовая работа [812,5 K], добавлен 12.01.2016

  • Разработка технологического процесса изготовления изделия "Кольцо" из волокнисто-армированного композитного материала с годовым выпуском 35 000 штук в год. Технико-экономическое обоснование вариантов метода получения изделий, выбор оборудования.

    дипломная работа [569,8 K], добавлен 22.03.2015

  • Особенности изготовления тонкостенных труб. Состав оборудования стана. Расчет калибровки и энергосиловых параметров. Назначение детали в узле, анализ ее технологичности. Трудоемкость изготовления конструкции. Защита производства в чрезвычайных ситуациях.

    дипломная работа [1,3 M], добавлен 26.10.2014

  • Технологические характеристики безнапорных железобетонных труб и сырьевого материала. Особенности технологии получения труб. Основные стадии технологического процесса. Выбор оборудования технологических линий и структурной схемы производства изделия.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 21.11.2012

  • Анализ служебного назначения детали, физико-механических характеристик материала. Выбор типа производства, формы организации технологического процесса изготовления детали. Разработка технологического маршрута обработки поверхности и изготовления детали.

    курсовая работа [76,5 K], добавлен 22.10.2009

  • Описание конструкции шестерни приводной: назначение, условия работы; план технологического процесса изготовления. Обоснование выбора материала, анализ технологичности. Выбор метода получения заготовки, расчет количества ступеней обработки поверхностей.

    курсовая работа [466,4 K], добавлен 22.02.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.